電源開關PCB之設計

作者：PCB 來源：未知發布時間：2019-07-17 13:27 瀏覽量：

PCB是開關電源的基礎材料，可為電子元器件提供固定裝配的機械支撐，實現電路的電氣連接和電氣絕緣，同時也為組裝、焊接、檢查和維修提供必要的裝配圖形和符號。

開關電源PCB常用的印制電路板基材開關電源PCB通常采用的是剛性印制電路板基材。常用的剛性印制電路板基材如下所示。

酚醛紙質覆銅箔板酚醛紙質覆銅箔板又稱紙質銅箔板。它是由絕緣浸漬紙或棉纖維紙浸以酚醛樹脂，在兩表面覆上單張的無堿玻璃布，然后覆以電解紫銅箔，經熱壓而成的板狀層壓制品。酚醛紙質覆銅箔板的電氣性能和機械性能較差。酚醛樹脂的最大缺點是易吸水，一旦吸水后，電氣性能就會降低。另外，酚醛紙質覆銅箔板的工作溫度不宜超過100℃，達到120℃以上會使其電性能不穩定。但由于酚醛紙質覆銅箔板的價格便宜，故在民用和一般產品中仍獲得了廣泛應用。

環氧酚醛玻璃布覆銅箔板環氧酚醛玻璃布覆銅箔板的基板全部用無堿玻璃布浸以環氧酚醛樹脂，然后再覆以電解紫銅箔，經熱壓而成。環氧酚醛玻璃布覆銅箔板是優良的印制電路板材料，受潮濕的影響小，能工作在較高的溫度，在260℃熔錫中浸焊不起泡，可以在環境條件較差的電路和高頻電路中使用。單雙面的環氧酚醛玻璃布覆銅箔板是開關電源比較常用的印制電路板，具有比較適中的性能價格比。常見的這類印制電路板的厚度為0.5mm、1mm、1.5mm和2mm。在開關電源中，較少使用多層印制電路板。

聚四氟乙烯玻璃布覆銅箔板聚四氟乙烯玻璃布覆銅箔板采用無堿玻璃布浸漬聚四氟乙烯分散乳液作為基板，覆上經氧化處理處后的電解紫銅箔，經高溫、高壓壓制而成。聚四氟乙烯玻璃布覆銅箔板具有優良的介電性能和化學穩定性，介質損耗小，是一種耐高溫、高絕緣性能的材料。它的工作溫度較寬，在-230～+260℃之間。它在200℃以下可長期使用，在300℃以下可間斷使用；對于所有酸、堿及化學溶劑有較好的惰性。但這種材料的價格昂貴，主要用在軍工和高頻微波設備中，在一般的開關電源中幾乎不用。制導線電阻造成的電壓降。一條寬度為1mm，厚度為50μm的印制導線的電壓降。印制導線的電壓降，覆銅箔板的絕緣電阻和抗電強度覆銅箔板的絕緣電阻和抗電強度。覆銅箔板的絕緣電阻覆銅箔板的抗電強度。

　開關電源PCB布局的一般原則小型、高速和高密度化是開關電源的產品發展方向，由此導致的產品電磁兼容問題變得越來越嚴重，而一個好的開關電源的PCB設計是解決開關電源電磁兼容問題的關鍵之一。在開關電源中，PCB是開關電源的電氣部件和機械部件的載體。

在PCB上，按照一定要求，將元器件合理地布局是設計符合要求的PCB的基礎。由于設計人員的設計經驗不同，同一個電路可以有許多不同的PCB布局方案，不同的方案在抑制射頻輻射干擾、保障器件的可靠性、提高開關電源的工作效率和穩定性上會有很大差異。一個好的PCB布局方案能使設計出來的開關電源滿足產品的電氣性能要求，并穩定可靠工作；反之，則不能達到設計目標。在開關電源的設計過程中，開關電源的電路設計與PCB布局和走線同樣重要。

一個好的開關電源PCB布局方案的要求如下所示。

① 能夠保證達到開關電源的技術指標（包括電性能指標、安全性能指標及電磁兼容性能指標）要求。
② 生產工藝合理，元器件便于安裝，產品便于維護。在進行開關電源的PCB布局時，通常要求遵守以下一般原則。
① 按照電原理圖來安排各功能電路的位置和區域，根據信號的流向（一般為交流電源的輸入濾波部分→高壓整流和濾波部分→高頻逆變部分→低壓整流輸出部分）布局，盡量使信號保持方向一致，使信號流通順暢。這樣的布局也便于在生產過程中檢查、調試及檢修產品。
② 確定合適的開關電源PCB的尺寸。出于成本的考慮，在一般的開關電源中通常都使用單層或雙層印制電路板。隨著開關電源工作頻率的提高，開關電源線路越來越復雜，單層板和雙層印制電路板的電磁兼容問題也越來越突出。 PCB的尺寸會給PCB的走線長度、發熱元器件的散熱、電磁騷擾的發射等帶來影響。PCB的走線過長，會使線路的阻抗增加，電磁騷擾的發射增加，抗干擾能力減弱；反之，PCB的尺寸過小，則會使開關電源發熱部分的散熱不好，鄰近線條間的相互干擾增加。 PCB的最佳形狀是矩形，推薦的長寬比為3:2或4:3。當PCB的尺寸大于200mm×150mm時，應當考慮它的機械強度。
③ 在開關電源PCB的尺寸確定后，需要確定與PCB和整機結構相配合的元器件（如電源插座、指示燈和接插件等）的位置，以及開關電源中的大器件和特殊器件（如高頻變壓器、發熱元器件和集成電路等）的位置。
④ PCB上的元器件可以采用水平和直立兩種安裝方式，在同一塊PCB上的元器件安裝方式應當一致。對于體積較大的元器件（如大功率的線繞電阻，3W以上），應該采用水平方式安裝，避免局部安裝的高度過高及機械抗振性能變差。對于質量超過15g的元器件，不能僅僅依靠元器件本身的引線進行安裝，需要采用支架來固定。
⑤ 對于發熱比較大的器件，將其安裝在PCB表面時必須考慮散熱問題，防止由于器件發熱而使印制電路板表面碳化。對于那些又大、又重、發熱又多的元器件，不宜放在印制電路板的中心部分，應當加裝散熱器，并把它安排在PCB的外側方向，必要時還可以通過開關電源的外殼來幫助散熱。
⑥ 考慮到在大批量生產的流水線插件和波峰焊時要使用導軌槽。為避免由于加工中引起的邊緣部分的缺損，在PCB上的元器件一般要求離PCB邊緣3mm以上。如果由于印制電路板上的元器件太多，不能夠保證留出3mm距離時，則可在PCB上設輔邊，在輔邊和主板連接的地方開V形槽，在全部加工結束后由人工掰斷。
⑦ 應當盡可能將開關電源的交流輸入部分和直流輸出部分隔離，避免相互間靠得太近，防止電磁騷擾發射通過線路間的電磁耦合使原本“干凈”的輸出受“污染”。不要在離磁場干擾源比較近的地方安排開關電源的反饋控制部分，以免使導線和元器件撿拾交變磁場。
⑧ 以每個功能電路的核心元器件為中心，圍繞核心元器件來進行元器件的布局。元器件應在滿足工藝要求的條件下均勻、整齊、緊湊地排列在印制電路板上，且應盡可能縮短各元器件之間的連接線距離，以減少元器件之間的分布參數的影響。
⑨ 對于某些載有高電壓、大電流的器件和線路，要加大它們與其他元器件的距離，以避免由于高壓放電引起的意外短路。考慮到工藝過程，應盡可能將帶高電壓的器件盡量布置在調試、維修人員的手不易觸及的地方。
⑩ 緩沖電路在布局上應盡可能靠近開關管和輸出二極管。對開關電源的輸出部分進行濾波時，可以采用多個容量較小的電解電容來代替一個容量較大的電解電容。采用多個較小的電解電容的并聯，可以提供比只使用一個較大容量的電解電容更小的等效串聯阻抗，有利于提高開關電源的輸出濾波性能，而且也不一定會增加濾波電路部分的總體積。注意高頻變壓器和扼流圈等元器件產生的磁場干擾會對開關電源的工作產生影響。變壓器的漏磁場既會在切割環形地線時產生感應電流，也會在PCB的平面上產生感應電動勢。變壓器的漏磁場產生的干擾要想抑制由高頻變壓器和扼流圈產生的磁場干擾，除了需要采取必要的屏蔽外，還應在排版中合理安排元器件的位置。合理地選擇元器件的安裝位置，可以減小磁場的干擾，降低元器件對屏蔽的要求，甚至可以省去屏蔽，這對降低成本、簡化結構和減小質量也具有重要的意義。在開關電源的PCB上通常都包含高壓和低壓部分（區域）。高壓和低壓這兩部分之間的元器件需要分開放置，隔離的距離與承受的試驗電壓有關。在2kV試驗電壓時，離開的距離要求在2mm以上；當試驗電壓要求在3kV以上時，離開的距離應當大于3.5mm。在有些情況下，為避免爬電，還要求在PCB上的高壓和低壓區域之間開一定寬度的槽。采用引腳插入安裝的元器件一律放置在電路板的元器件面。每個元器件插入孔都是單獨使用的，不允許兩個元器件的引腳共用一個安裝孔。元器件的安裝孔距離選擇要適當，不能讓元器件的外殼相碰，或讓外殼與元器件的引腳相碰。元器件的外殼之間或外殼與元器件引腳之間要有一定的安全距離。安全距離可根據元器件的工作電壓按200V/mm計算。另外，印制電路板上的元器件不能交叉或重疊安裝。

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